OpenGL入门003——使用Factory设计模式简化渲染流程

前面两节已经学会了如何使用opengl创建窗口并绘制三角形，我们可以看出有些步骤是固定的，而且都写在main.cpp，这一节我们将了解如何使用Factroy设计模型。将模型渲染逻辑封装在一个单独的类中，简化开发流程，且提高代码复用性。

一些概念

Factory设计模式

概述： 提供了一种将对象的实例化过程封装起来的方式， 使得客户端可以通过调用Factroy类的方法来创建对象。

作用：

• 封装对象的创建过程，将对象的实例化过程封装在Factory类中，客户端可以通过调用工厂类的方法来创建对象，而无需知道对象的具体实现细节
• 隐藏对象的创建逻辑，从而实现对象的创建逻辑和客户端代码的分离
• 提高代码的可维护性和可扩展性以及复用性

实战

简介

怎么在vscode上使用cmake构建项目，具体可以看这篇Windows上如何使用CMake构建项目 - 凌云行者的博客

目的： 使用Factory设计模式绘制一个三角形

环境：

• 编译工具链：使用msys2安装的mingw-gcc
• 依赖项：glfw3:x64-mingw-static，glad:x64-mingw-static（通过vcpkg安装）

utils

创建utils目录，将windowFactory.h，TriangleModel.h，TriangleMode.cpp文件放到这个目录下面

windowFactory.h

作用： 实现创建窗口对象的Factory类

#pragma once
#include <glad/glad.h> // gald前面不能包含任何opengl头文件
#include <GLFW/glfw3.h>
#include <functional>
#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

class GLFWWindowFactory {
public:
    // 默认构造函数
    GLFWWindowFactory() {}
    // 构造函数，初始化窗口
    GLFWWindowFactory(int width, int height, const char* title) {
        // 初始化glfw
        glfwInit();
        // 设置opengl版本
        glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
        glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
        // 使用核心模式：确保不使用任何被弃用的功能
        glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);

        // 创建glfw窗口
        this->window = glfwCreateWindow(width, height, title, NULL, NULL);
        if (this->window == NULL) {
            cout << "Failed to create GLFW window" << endl;
            glfwTerminate();
            exit(-1);
        }
        // 设置当前窗口的上下文
        glfwMakeContextCurrent(this->window);
        // 设置窗口大小改变的回调函数
        glfwSetFramebufferSizeCallback(this->window, framebuffer_size_callback);
        // 加载所有opengl函数指针
        if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress)) {
            cout << "Failed to initialize GLAD" << endl;
        }
        // 再次设置当前窗口的上下文，确保当前上下文仍然是刚刚创建的窗口，是一个安全措施
        glfwMakeContextCurrent(this->window);
        // 设置窗口大小改变的回调函数
        glfwSetFramebufferSizeCallback(this->window, framebuffer_size_callback);
    }

    // 获取窗口对象
    GLFWwindow* getWindow() {
        return this->window;
    }

    // 运行窗口，传入一个自定义的更新函数
    void run(std::function<void()> updateFunc) {
        // 启用深度测试，opengl将在绘制每个像素之前比较其深度值，以确定该像素是否应该被绘制
        glEnable(GL_DEPTH_TEST);

        // 循环渲染
        while (!glfwWindowShouldClose(this->window)) { // 检查是否应该关闭窗口
            // 清空屏幕所用的颜色
            glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
            // 清空颜色缓冲，主要目的是为每一帧的渲染准备一个干净的画布
            glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

            // 处理输入
            GLFWWindowFactory::process_input(this->window);

            // 执行更新函数
            updateFunc();

            // 交换缓冲区
            glfwSwapBuffers(this->window);
            // 处理所有待处理事件，去poll所有事件，看看哪个没处理的
            glfwPollEvents();
        }

        // 终止GLFW，清理GLFW分配的资源
        glfwTerminate();
    }

    // 窗口大小改变的回调函数
    static void framebuffer_size_callback(GLFWwindow* window, int width, int height) {
        // 确保视口与新窗口尺寸匹配，注意在视网膜显示器上，宽度和高度会显著大于指定值
        glViewport(0, 0, width, height);
    }

    // 处理输入
    static void process_input(GLFWwindow* window) {
        // 按下ESC键时进入if块
        if (glfwGetKey(window, GLFW_KEY_ESCAPE) == GLFW_PRESS)
            // 关闭窗口
            glfwSetWindowShouldClose(window, true);
    }

private:
    // 窗口对象
    GLFWwindow* window;
};

TriangleModel.h

作用： 三角模型的头文件

#include <glad/glad.h>

class TriangleModel {
public: 
    // 默认构造函数
    TriangleModel();
    // 默认析构函数
    ~TriangleModel();
    
    // 绘制三角形
    void draw();
    
private:
    unsigned int VAO;
    unsigned int VBO;
    // 着色器程序
    unsigned int shaderProgram;
    
    // 编译着色器
    void compileShaders();
    // 设置缓冲区
    void setupBuffers();
};

TriangleMode.cpp

作用： 三角形模型的具体实现

#include "TriangleModel.h"
#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

// 顶点属性位置
const int VERTEX_ATTR_POSITION = 0;
// 每个顶点的组件数
const int NUM_COMPONENTS_PER_VERTEX = 3;

// 默认构造函数
TriangleModel::TriangleModel() {
    // 编译着色器
    compileShaders();
    // 设置缓冲区
    setupBuffers();
}

// 析构函数
TriangleModel::~TriangleModel() {
    // 删除VAO
    glDeleteVertexArrays(1, &this->VAO);
    // 删除VBO
    glDeleteBuffers(1, &this->VBO);
}

/// public
// 绘制三角形
void TriangleModel::draw() {
    // 使用着色器程序
    glUseProgram(this->shaderProgram);
    // 绑定VAO
    glBindVertexArray(this->VAO);
    // 绘制三角形
    glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
}

/// private
// 编译着色器
void TriangleModel::compileShaders() {
    // 顶点着色器源码
    const char* vertexShaderSource = "#version 330 core\n" // 指定了GLSL（OpenGL着色器语言）的版本
        "layout (location = 0) in vec3 aPos;\n" // 定义了一个输入变量aPos，它是一个vec3类型的变量, 并且指定了它的位置值为0, 这意味着顶点属性数组的第一个属性将被绑定到这个变量
        "void main()\n"
        "{\n"
        "   gl_Position = vec4(aPos.x, aPos.y, aPos.z, 1.0);\n" // 将输入的顶点位置aPos转换为一个四维向量，gl_Postion是OpengGL固定功能管线中用于存储顶点位置的变量
        "}\0";

    // 片段着色器源码
    const char* fragmentShaderSource = "#version 330 core\n" // 指定了GLSL（OpenGL着色器语言）的版本
        "out vec4 FragColor;\n" // 定义了一个输出变量FragColor，它是一个vec4类型的变量，表示片段颜色，out关键字表示这个变量将输出到渲染管线的下一个阶段
        "void main()\n"
        "{\n"
        "   FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n" // 将输出颜色设置为橙色
        "}\n\0";

    // 构建并编译顶点着色程序
    // 创建一个着色器对象，GL_VERTEX_SHADER表示顶点着色器
    unsigned int vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    // 将着色器源码附加到着色器对象上
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSource, NULL);
    // 编译着色器
    glCompileShader(vertexShader);
    // 检查着色器是否编译成功
    int success;
    char infoLog[512];
    glGetShaderiv(vertexShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetShaderInfoLog(vertexShader, 512, NULL, infoLog);
        cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n"
            << infoLog << endl;
    }
    // 构建并编译片段着色器
    // 创建一个着色器对象，GL_FRAGMENT_SHADER表示片段着色器
    unsigned int fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    // 将着色器源码附加到着色器对象上
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSource, NULL);
    // 编译着色器
    glCompileShader(fragmentShader);
    // 检查着色器是否编译成功
    glGetShaderiv(fragmentShader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetShaderInfoLog(fragmentShader, 512, NULL, infoLog);
        cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n"
            << infoLog << endl;
    }
    // 创建着色器程序对象
    this->shaderProgram = glCreateProgram();
    // 将着色器对象附加到着色器程序上
    glAttachShader(shaderProgram, vertexShader);
    glAttachShader(shaderProgram, fragmentShader);
    // 链接程序对象
    glLinkProgram(shaderProgram);
    // 检查链接是否成功
    glGetProgramiv(shaderProgram, GL_LINK_STATUS, &success);
    if (!success) {
        glGetProgramInfoLog(shaderProgram, 512, NULL, infoLog);
        cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n"
            << infoLog << endl;
    }
    // 删除着色器对象
    glDeleteShader(vertexShader);
    glDeleteShader(fragmentShader);
}

// 设置缓冲区
void TriangleModel::setupBuffers() {
    // 顶点数据
    float vertices[] = {
        -0.5f, -0.5f, 0.0f,
        0.5f, -0.5f, 0.0f,
        0.0f, 0.5f, 0.0f,

        1.0f, -0.5f, 0.0f,
        0.5f, -0.5f, 0.0f,
        0.25f, 0.0f, 0.0f
    };

    // 生成一个VAO
    glGenVertexArrays(1, &this->VAO);
    // 绑定VAO，使其成为当前操作的VAO
    glBindVertexArray(this->VAO);
    // 生成一个VBO
    glGenBuffers(1, &this->VBO);
    // 绑定VBO, 使其成为当前操作的VBO，GL_ARRAY_BUFFER表示顶点缓冲区
    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, this->VBO);
    // 为当前绑定的VBO创建并初始化数据存储，GL_STATIC_DRAW表示数据将一次性提供给缓冲区，并且在之后的绘制过程中不会频繁更改
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vertices), vertices, GL_STATIC_DRAW);

    // 定义顶点属性的布局
    // - index：顶点属性的索引
    // - size：每个顶点属性的数量，每个顶点有三个分享
    // - type：数据类型
    // - normalized：是否将非浮点数值归一化
    // - stride：连续顶点属性之间的间隔
    // - pointer：数据在缓冲区中的偏移量
    glVertexAttribPointer(VERTEX_ATTR_POSITION, NUM_COMPONENTS_PER_VERTEX, GL_FLOAT, GL_FALSE, NUM_COMPONENTS_PER_VERTEX * sizeof(float), (void*)0);
    // 启用顶点属性数组
    glEnableVertexAttribArray(VERTEX_ATTR_POSITION);
}

main.cpp

#include "utils/TriangleModel.h"
#include "utils/windowFactory.h"

int main() {
    // 创建一个窗口Factory对象
    GLFWWindowFactory myWindow(800, 600, "This is Title");
    
    // 创建一个三角形模型对象
    TriangleModel triangle;
    
    // 运行窗口，传入一个lambda表达式，用于自定义渲染逻辑
    myWindow.run([&]() {
        // 绘制三角形
        triangle.draw();
    });
    
    return 0;
}

CMakeLists.txt

# 设置CMake的最低版本要求
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
# 设置项目名称
project(HelloFactory)

# vcpkg集成, 这里要换成你自己的vcpkg工具链文件和共享库路径
set(VCPKG_ROOT D:/software6/vcpkg/)
set(CMAKE_TOOLCHAIN_FILE ${VCPKG_ROOT}/scripts/buildsystems/vcpkg.cmake)
set(CMAKE_PREFIX_PATH ${VCPKG_ROOT}/installed/x64-mingw-static/share)

# 查找所需的包
find_package(glad CONFIG REQUIRED)
find_package(glfw3 CONFIG REQUIRED)

# 搜索并收集utils文件夹下的所有源文件
file(GLOB UTILS "utils/*.cpp", "utils/*.h")

# 添加可执行文件（还要加入utils文件夹下的源文件）
add_executable(HelloFactory main.cpp ${UTILS})

# 链接所需的库
target_link_libraries(HelloFactory PRIVATE glad::glad glfw)

最终效果